用于保护碳材料的复合涂层及制备方法和铸锭炉热场结构
技术领域
本发明涉及铸锭用涂层技术领域，特别是涉及一种用于保护碳材料的复合涂层及制备方法和铸锭炉热场结构。
背景技术
目前，市场上大部分晶体硅铸锭炉内普遍采用碳材料，包括石墨和碳-碳复合材料，制造耐温结构件。然而一般铸锭过程中的铸锭周期长达80小时左右，在不断的高温煅烧下，铸锭炉热场结构内部的碳材料会不断受到铸锭内部气流的冲击从而释放出碳元素，多数碳元素会和硅进行反应生成碳化硅造成硅锭的硬质夹杂，并且大大提升硅锭中碳含量以致严重影响硅锭质量。硅锭的硬质夹杂对硅锭的开方、切片均会造成不良影响，例如开方断线、线痕片等，浪费硅锭材料，造成硅锭切割成本升高；
现有技术方案中，多数采用碳-碳化硅材料来替换碳-碳材料，降低铸锭炉热场结构内的碳气氛，以降低硅锭碳含量影响，但碳-碳化硅材料价格昂贵，致使铸锭炉热场结构的材料替换成本翻倍，使晶体硅铸锭的工业化生产过程中面临着巨大的成本风险。因此，如何有效降低硅锭中的碳含量是当前晶体硅铸锭亟待解决的难点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于保护碳材料的复合涂层及制备方法和铸锭炉热场结构，该复合涂层可以有效改变碳材料表面的微观结构，在碳材料表面形成了一层致密的保护层，使得铸锭过程中的碳材料高温下释放的碳降到最低。
第一方面，本发明提供了一种用于保护碳材料的复合涂层，所述复合涂层包裹在所述碳材料表面，所述复合涂层包括硅酸类物质、改性环氧树脂和氧化钇颗粒。
本发明所述复合涂层，可以有效改变碳材料表面的微观结构，使得铸锭过程中的碳材料高温下释放的碳降到最低。
可选地，所述硅酸类物质、所述改性环氧树脂和所述氧化钇颗粒的质量为(5-15)：(5-15)：1。
可选地，所述复合涂层的厚度为10μm-200μm。
可选地，所述复合涂层的厚度为10μm-100μm。
可选地，所述复合涂层的厚度为50μm-150μm。
可选地，所述复合涂层的厚度为100μm-200μm。
例如，本发明所述复合涂层的厚度为10μm，或为20μm，或为30μm，或为40μm，或为50μm，或为100μm，或为120μm，或为150μm，或为200μm。
可选地，所述硅酸类物质包括硅溶胶和硅酸盐中的至少一种。例如，本发明一实施方式中，所述硅酸类物质可以为硅酸钾。
可选地，所述氧化钇颗粒的粒径为0.3-5.0μm。
进一步地，可选地，所述氧化钇颗粒的粒径为0.5-1.5μm。
进一步地，可选地，所述氧化钇颗粒的粒径分布为D10：0.3-1.2μm，D90：1.2-5.0μm。本发明中，粒径分布均匀的所述氧化钇颗粒有利于形成更加均匀的复合涂层。
可选地，所述用于保护碳材料的复合涂层中还包括氧化锌颗粒。
可选地，所述碳材料包括石墨和/或碳-碳复合材料。
具体地，所述碳材料包括在晶体硅铸锭炉中的耐高温组件，所述耐高温组件包括护板、保温板、保温毡和隔热板中的至少一种。
本发明第一方面所述的复合涂层能够在碳材料表面形成了一层致密的保护层，所述复合涂层可以有效保护碳材料(例如护板、保温板、保温毡或隔热板等)，减少碳材料在受到气流的冲击下释放出碳元素，从而大大减少硅锭中的碳含量以及硅锭中存在的碳化硅等硬质夹杂，提升硅锭整体的质量和降低硅锭的生产成本。
第二方面，本发明还提供了一种用于保护碳材料的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
在反应容器中加入硅酸类物质、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水，搅拌均匀后得到混合料，将所述混合料均匀涂布在碳材料表面，干燥后进行高温煅烧，以在所述碳材料表面形成复合涂层。
可选地，所述碳材料在涂布之前还包括对所述碳材料进行表面进行打磨处理；所述碳材料包括石墨和/或碳-碳复合材料。
可选地，所述涂布的方式可以为喷涂方式。
进一步地，可选地，单位面积的所述碳材料上涂布的混合料的体积为0.25-0.5L/m2。
可选地，所述高温煅烧的煅烧温度为1200℃，煅烧时间为240-360min。例如，所述涂布有复合涂层的碳材料可以通过安装在铸锭炉中进行煅烧。
可选地，所述打磨处理中，采用高压气枪清理方式对所述打磨后的所述碳材料进行清理。本发明中，经过打磨处理后的所述碳材料表面可以更加牢固且均匀地形成复合涂层。可选地，所述打磨处理还可以去除碳材料表面的碳化硅等杂质，防止其他物质影响所述复合涂层与所述碳材料之间的结合。
可选地，所述混合料中，去离子水的质量百分含量为60-85％。
可选地，所述硅酸类物质、所述改性环氧树脂和所述氧化钇颗粒的质量为(5-15)：(5-15)：1。
本发明所述混合料为弱酸性，所述混合料可以很好地附着在碳材料表面；尤其是在经过干燥，涂布在碳材料包面的混合料中的去离子水不断减少，其与碳材料的结合更加紧密；当经高温煅烧后，所述混合料可以在所述碳材料表面形成更加牢固的复合涂层，结构更加致密。
本发明第二方面所述的复合涂层的制备方法，该制备方法简单易操作，成本低，能行用于大规模的工业化生产。该制备方法可以在碳材料表面形成了一层致密的复合涂层，从而保护碳材料在高温环境下释放碳元素，大大减少硅锭中的碳含量以及硅锭中存在的碳化硅等硬质夹杂，提升硅锭整体的质量和大大降低硅锭的生产成本。
第三方面，本发明还提供了一种铸锭炉热场结构，包括坩埚、热交换台、护板、加热器和隔热笼，所述坩埚设于所述热交换台上，所述坩埚的外围依次套设所述护板和所述加热器，所述坩埚、所述热交换台、所述护板和所述加热器均设于所述隔热笼内，所述护板和/或所述隔热笼的表面设置有如权利要求1-5任意一项所述的复合涂层。
可选地，所述多铸锭炉热场结构还包括用于遮盖所述坩埚的石墨盖板，所述石墨盖板表面设置有所述复合涂层。
可选地，所述隔热笼由顶部隔热板、侧部隔热板和底部隔热板构成的热场腔室，所述顶部隔热板、所述侧部隔热板和所述底部隔热板表面均设置有所述复合涂层。
进一步地，所述隔热笼内壁设有至少一层保温板，所述保温板表面设置有所述复合涂层。
可选地，所述坩埚和所述护板之间还设有保温毡，所述保温毡表面设置有所述复合涂层。
本发明所述铸锭炉热场结构可以有效降低硅锭中的碳含量。
进一步地，本发明所述铸锭炉热场结构可以用于晶体硅铸锭炉的制备。由本发明所述铸锭炉热场结构制备的硅锭，硅锭中的碳含量可以得到有效控制，所述硅锭中的碳化硅等硬质夹杂也会大大减少，甚至消失，所述硅锭的质量相比于传统热场或铸锭炉制备的硅锭会有极大的提升，硅锭的出材率也能得到提升。同时，本发明所述铸锭炉热场结构的无需使用或更换价格昂贵的碳-碳化硅材料，可以大大节约设备的成本，且进一步地节约硅锭的生产成本。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1为本发明一实施例提供的设置有复合涂层的碳基复合材料的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的铸锭炉热场结构的结构示意图。
具体实施方式
以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。
本申请说明书、权利要求书和附图中出现的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。若无特别说明，本发明实施例所采用的原料及其它化学试剂皆为市售商品。
如图1所示，本发明一实施例提供了一种碳基复合材料，包括碳材料基体1和包覆在所述碳材料基体1的用于保护碳材料的复合涂层2。
本发明实施方式中，所述复合涂层2包括硅酸类物质、改性环氧树脂和氧化钇颗粒。所述硅酸类物质包括硅溶胶和硅酸盐中的至少一种。例如，本发明一实施方式中，所述硅酸盐可以为硅酸钾。
本发明实施方式中，所述硅酸类物质、所述改性环氧树脂和所述氧化钇颗粒的质量为(5-15)：(5-15)：1。
本发明实施方式中，所述氧化钇颗粒的粒径分布为D10：0.3-1.2μm，D90：1.2-5.0μm。粒径分布均匀的所述氧化钇颗粒有利于形成更加均匀的复合涂层。
本发明实施方式中，所述碳材料基体1包括石墨和/或碳-碳材料。进一步地，可选地，所述碳材料基体包括保温板、隔热板、保温毡和护板中的至少一种。
本发明所述复合涂层，可以有效改变碳材料表面的微观结构，起到稳定石墨或碳-碳材料的晶体结构，和碳元素结合形成抗氧化和抗腐蚀涂层的作用，使铸锭过程中的碳材料高温下释放的碳降到最低；本发明所述复合涂层与碳材料之间结合紧密牢固，使用寿命长。
本发明所述复合涂层可用于晶体硅铸锭炉内的耐高温组件的保护，用于使其在高温下释放的碳降到最低。
如图2所示，为本发明提供的铸锭炉热场结构，包括坩埚10、热交换台20、护板30、加热器40和隔热笼50，所述坩埚10设于所述热交换台20上，所述坩埚10的外围依次套设所述护板30和所述加热器40，所述坩埚10、所述热交换台20、所述护板30和所述加热器40均设于所述隔热笼50内，所述护板30和所述隔热笼40的表面设置有所述复合涂层2。其中，所述复合涂层2可参见前面实施方式中的具体限定。
本发明实施方式中，所述加热器40包括顶部加热器41和侧部加热器42，所述顶部加热器41设置在所述坩埚10的顶部，所述侧部加热器42设置在所述护板30的外围。
可选地，所述隔热笼由顶部隔热板、侧部隔热板和底部隔热板构成的热场腔室，所述顶部隔热板、所述侧部隔热板和所述底部隔热板表面均设置有所述复合涂层。
本发明实施方式中，由于实际工作中，所述铸锭炉热场结构内存在自上而下的气压，因此，所述隔热笼的底部隔热板表面可以不设置所述复合涂层。
进一步地，所述隔热笼内的其他碳材料表面也可以设置复合涂层。
本发明实施方式中，可以定期对所述铸锭炉热场结构内的碳材料重新涂布复合涂层，以维持铸锭炉热场结构可以长时间、稳定地制备得到硅锭。例如通过对每次制得的硅锭进行碳含量的测定，并时时跟踪热场内部碳材料变化；当硅锭的碳含量存在一定程度增加时，可以对铸锭炉热场结构内的碳材料重新涂布复合涂层。
本发明所述铸锭炉热场结构可用于晶体硅铸锭炉的制备。例如，本发明一实施方式中还提供一种晶体硅铸锭炉，所述晶体硅铸锭炉包括上述实施方式中提供的铸锭炉热场结构。
实施例1
一种用于保护碳材料的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
分别称取硅溶胶、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水，并加入至反应容器中，经长时间搅拌后，配置得到体积为3L的混合料，其中，混合料中，硅溶胶、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水的质量百分含量分别为10％、10％、1％和79％，氧化钇颗粒的粒径分布为D10：0.5-1.0μm，D90：1.2-2.0μm；将晶体硅铸锭炉内的石墨材料及碳-碳材料均匀打磨，去除表面的碳化硅并用高压气枪吹干净。然后采用喷涂方式，在处理好的石墨材料及碳-碳材料的表面全部进行喷涂，然后晾干后安装于铸锭炉热场内部进行一次高温煅烧，得到表面形成有复合涂层的石墨材料及碳-碳材料。
实施例2
一种用于保护碳材料的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
分别称取硅酸钾、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水，并加入至反应容器中，经长时间搅拌后，配置得到体积为3L的混合料，其中，混合料中，硅酸钾、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水的质量百分含量分别为15％、15％、1％和69％，氧化钇颗粒的粒径分布为D10：0.5-1.0μm，D90：1.2-2.0μm；将晶体硅铸锭炉内的石墨材料及碳-碳材料均匀打磨，去除表面的碳化硅并用高压气枪吹干净。然后采用喷涂方式，在处理好的石墨材料及碳-碳材料的表面全部进行喷涂，然后晾干后安装于铸锭炉热场内部进行一次高温煅烧，得到表面形成有复合涂层的石墨材料及碳-碳材料。
实施例3
一种用于保护碳材料的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
分别称取硅溶胶、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水，并加入至反应容器中，经长时间搅拌后，配置得到体积为3L的混合料，其中，混合料中，硅溶胶、改性环氧树脂、氧化钇颗粒和去离子水的质量百分含量分别为10％、10％、2％和78％，氧化钇颗粒的粒径分布为D10：0.3-1.0μm，D90：1.2-4.0μm；将晶体硅铸锭炉内的石墨材料及碳-碳材料均匀打磨，去除表面的碳化硅并用高压气枪吹干净。然后采用喷涂方式，在处理好的石墨材料及碳-碳材料的表面全部进行喷涂，然后晾干后安装于铸锭炉热场内部进行一次高温煅烧，得到表面形成有复合涂层的石墨材料及碳-碳材料。
效果实施例
取两台相同的晶体硅铸锭炉，按实施例实施的制备方法，将其中的一台晶体硅铸锭炉内的石墨材料和碳-碳材料(包括护板、隔热笼、石墨盖板、保温毡等)表面形成复合涂层，得到设置有复合涂层的铸锭炉，而另一台晶体硅铸锭炉为未设置有复合涂层的铸锭炉。
(1)铸锭炉热场结构内的碳材料监测
分别用设置有复合涂层的铸锭炉和未设置有复合涂层的铸锭炉进行硅锭的制备，其中设置有复合涂层的铸锭炉每出锭10炉后，重新进行喷涂，三个月后两种铸锭炉的热场结构内的碳材料变化；
通过两台铸锭炉的碳材料对比发现，设置有复合涂层的铸锭炉内的护板、保温板和保温毡等碳材料未发生氧化、掉粉、脱皮现象，而未设置有复合涂层的铸锭炉的内部的护板、保温板和保温毡等碳材料均出现了轻微的氧化和掉粉现象；因此，所述涂对铸锭炉热场结构内部碳材料的保护效果明显。
(2)制备得到的硅锭中碳含量的检测
分别用设置有复合涂层的铸锭炉和未设置有复合涂层的铸锭炉，采用相同的硅锭制备方法，并对制备得到的硅锭进行碳含量的测定、出材率计算以及切割成片。其中，采用设置有复合涂层的铸锭炉制得的硅锭为实验组，共进行了5组，采用未设置有复合涂层的铸锭炉制得的硅锭为对照组，共进行了2组。
上述表1为硅锭中碳含量的检测数据表，从数据表中的碳含量数据可以明确看出，相比于未设置有复合涂层的铸锭炉制得的硅锭，本发明所述设置有复合涂层的铸锭炉制得的硅锭的顶部和尾部的碳含量明显减少，表明本发明所述复合涂层的可以有效保护铸锭炉热场结构内的碳材料，可以大大降低铸锭过程中的碳材料在高温下释放的碳含量。经检测，本发明所述设置有复合涂层的铸锭炉的硅锭中的碳化硅硬质夹杂以及硅锭的碳浓度均有效降低，且铸锭出材率的至少提升1％以上。
在对制得的硅锭进行切割的过程中，由设置有复合涂层的铸锭炉制得的硅锭，相比于未设置有复合涂层的铸锭炉制得硅锭，本发明切片端金刚线综合耗线量由1.45米/片下降至1.2米/片，大大降低了硅锭的生产成本。因此，本发明所述复合涂层可以在晶体硅的铸锭领域发挥重要作用，在新能源多晶铸锭领域前景广阔。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
